基于LMS軟件平臺的核電反應堆落棒流固耦合仿真分析

余志偉，劉佳，石銀明，羅英，郭海保

（1.核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610041；2.LMS 國際公司，北京 100101）

0 引言

反應堆控制棒驅動線是由驅動桿、控制棒組件、驅動機構、導向組件以及燃料組件組成，它是核電反應堆中唯一具有相對運動的系統。作為核電反應堆安全運行的重要環節，反應堆控制棒驅動線的落棒時間是反應堆驅動設計時的主要參數之一。如何有效地在設計初期對落棒時間有一個基本預估，尋找對落棒時間存在的主影響因素，分析影響因素產生的規律趨勢，其基本接觸、碰撞、摩擦、變形等是否在設計范圍內，阻尼孔產生的流體阻力設計是否滿足要求，是否還有改進的空間，對于極端工況是否滿足安全性基本要求，運行后期故障查找等，這些都是技術工程師需要考慮的問題。

從目前所得到的公開分析資料看，國內外對落棒分析做了大量研究，主要依靠經驗公式、理論分析和試驗對流體作用力進行分析研究，建立的模型大都為一維或者二維，對機械作用力研究較少［1-2］。本文正是基于這種情況，使用LMS 軟件平臺中的Virtual.Lab Motion 和Imagine.Lab AMESim 軟件進行流固耦合仿真，一方面基于平臺的成熟和通用性，另一方面基于流固耦合的分析方法，來進行落棒時間的研究分析。

1 流體阻力建模

基于Imagine.Lab AMESim 軟件平臺的流體阻力模型可以充分考慮流水阻尼孔、環形縫隙等流體阻尼和黏性摩擦。

1.1 驅動桿頂部容腔壓力建模

頂部容腔半油半氣的狀態，存在蓄能器效應。在落棒快速下落過程中，由于是封閉腔，其腔內壓力隨著下落速度和下降高度的增加而減小，這會導致控制棒的上下腔壓力發生變化，控制棒的下降過程中受力發生變化。因此，頂部腔壓的變化會影響到落棒速度，需要進行詳細建模。如圖1。

圖1 容腔模型

1.2 驅動桿與鉤爪組件、浮動套等流體阻力建模

驅動桿與鉤爪組件和浮動套的流體阻力計算涉及兩個方面，一是環形縫隙產生的壓降，二是流體與邊界的黏性摩擦產生的黏性摩擦力，這兩個方面是落棒過程中需要重點考慮的因素。如圖2。

1.3 浮動套浮動及流體浮動通流建模

浮動套設計為了調節落棒速度，當落棒速度在某個范圍時，流體可以打開浮動套，增大驅動桿對頂部容積的通流效果，從而可以增加落棒速度，降低落棒時間。因此浮動套是需要建模過程中重點考慮的，如圖3。

1.4 導向管與控制棒流體阻力建模

圖3 浮動套建模

導向管與控制棒之間的流體阻力計算是相對比較麻煩的，因為其涉及幾個方面：

1）導向管與控制棒之間的環形縫隙。導向管與控制棒之間的環形縫隙流和驅動桿與鉤爪組件之間的環形縫隙流類似，主要是環形縫隙流產生流體壓降和流體與邊界產生黏性摩擦力。此處環形間隙在緩沖段前和緩沖段后分成兩組不同的環形縫隙，因此在模型中需要對緩沖段進行監測處理。

2）底部流水孔。底部流水孔的大小對于整個落棒的流體阻力影響是明顯的，由于流水孔的分布為緩沖段前4 個流水孔加1 個底部流水孔同時分流，緩沖段后系統的流量由緩沖段間隙產生雙向分流，即一部分通過底部流水孔直接流出，另一部分由緩沖段間隙分流至中部的4 個流水孔。

3）緩沖段。緩沖段是控制棒在快落到底部的急劇減速段，控制棒與導向管在緩沖段前與緩沖段后的特性是完全不一樣的，不僅需要將緩沖段前后的流阻模型建立完整，同時需要將緩沖段位置監測出來，以控制流體在緩沖段前后的流動特性。

以上三部分內容基本可以描述控制棒在導向管內部所受的阻力特性，并可以完整描述各個階段流體阻力特性。模型如圖4。

圖4 導向管與控制棒模型

以上是單束導向管與控制棒的流體阻力模型，如果多束（例如24 束），需要進行整合建模及耦合處理。

通過Imagine.Lab AMESim 軟件建立的流體阻力系統模型，可以方便地進行流體阻力分析，分析因子包括：a.介質黏度影響；b.介質溫度影響；c.介質壓力狀態影響；d.流水阻尼孔尺寸及形狀影響；e.緩沖段設置影響；f.控制棒各局部與對應邊界尺寸間隙影響。這些內容已經比較充分細致地考慮了反應堆驅動線控制棒落棒流體阻力特性。針對控制棒落棒過程中動力學影響因素，即控制棒下落過程中存在的碰撞、接觸摩擦、控制棒變形等因素對于落棒的影響，需要運用到多體動力學來詳細建模分析。

2 多體動力學建模

基于Virtual.Lab Motion 的反應堆驅動線的多體動力學建模，是一個復雜過程?？刂瓢粼诼浒暨^程中存在隨機載荷、接觸、變形、摩擦等影響，這些工作運用經驗公式或試驗的方法很難進行影響因子分析，通過Virtual.Lab Motion 可以很好地進行詳細的落棒動力學仿真分析。可以考慮的因子：1）驅動桿與邊界產生的碰撞接觸；2）控制棒與邊界產生的碰撞接觸（如圖5）；3）柔性化控制棒；4）柔性化驅動桿。

圖5 控制與導向管接觸碰撞模型

3 耦合仿真分析

基于Imagine.Lab AMESim 建立的流體阻力模型和Virtual.Lab Motion 建立的落棒機構動力學模型，分別考慮流體阻力和動力學兩個部分。在真實的落棒過程中，是流體阻力與機構動力學的耦合過程，即流固耦合效應，這也一直是落棒歷程分析中困難的地方。

圖6 耦合仿真分析

LMS 軟件平臺提供了Imagine.Lab AMESim 和Virtual.Lab Motion 無縫耦合仿真的接口，使得落棒歷程流固耦合分析快速精確。

4 計算結果

通過耦合仿真分析，可以得到仿真落棒歷程和各主要參數，如圖7～圖11 所示。

圖7 位移曲線

圖8 速度曲線

圖9 流體阻力曲線

圖10 摩擦力曲線

圖11 浮動套浮動位移曲線

圖12 速度曲線

同時，通過控制棒驅動線物理樣機試驗，可以得到實際落棒速度曲線，如圖12 所示。

最后，通過比較分析可知，基于仿真分析所得到的落棒快插時間（控制棒進入導向管緩沖段的時間）、全行程落棒時間以及歷程與對應的控制棒驅動線物理樣機試驗數據相比，結果比較一致，進一步證明了該仿真方法以及結果的正確性。

［1］于建華，魏永濤，孫磊，等.控制棒組件在流體環境中下落時所受阻力的計算［J］.核動力工程，2001，22（3）：236－241.

［2］孫磊，于建華，魏永濤，等.控制棒組件落棒時間與歷程計算［J］.核動力工程，2003，24（1）：59－62.